長田實
名古屋大學未來材料與系統研究所教授
2020年～2023年 A-STEP研究負責人
“創新日本走訪”系列為大家介紹為實際應用于社會而進行研發的一線。本文為該系列的第4回，將介紹名古屋大學未來材料與系統研究所的長田實教授致力于超薄納米片、高速薄膜制造方法以及創新介電材料和器件等有助于資源和能源節約的研發歷程。
為世界創造有用的材料
以全新工藝為橋梁
名古屋大學的未來材料與系統研究所通過研究開發尖端材料和設備的基礎技術及系統技術，為實現環境友好型和可持續發展社會做出了貢獻。它是名古屋大學中規模最大的跨院系跨學科聯合研究促進組織，其目標是開創新的學術領域和構建新的學術體系。
長田實教授自2018年以來一直在該研究所從事“納米片”的研究開發工作。納米片是一種厚度為幾個原子，約1納米（十億分之一米），橫向尺寸是厚度的數千至數萬倍的片狀物質。雖然根據原子的類型和結構有所不同，但因其具有高速電子傳導、高電感性、催化活性等優異功能，因此正被用作功能性薄膜。
長田教授在A-STEP（研究成果最佳展開支援計劃）“利用納米片技術開發創新介電材料和設備”項目中承擔了材料、工藝和器件3個研究主題。具體為包括超薄納米片的合成、高速薄膜制造方法的開發以及電介質電容器的開發。長田教授強調了將從材料到器件開發進行綜合考慮的重要性：“為了創造出對社會有用的材料，我認為應以新工藝為橋梁，以制作功能性器件為最終目標”。
低溫合成納米片
確認能維持強介電性
納米片的開發以合成薄且具有儲存電力的“介電性”特性的氧化物納米片為目標。電子元件等中使用的納米片必須具有能夠存儲大量電力的介電性，而傳統材料在變薄時會出現介電性消失的“尺寸效應”。此外，由于本次使用的鈦酸鋇（BaTiO?）在結構上無法使用常規的剝離和合成方法，因此需要開發新的合成方法。
為此，長田教授將目光轉到了納米片的高反應性上。使用厚度為1納米的氧化鈦（TiO?）納米片，探討了通過表面反應誘導產生結構變化形成BaTiO?的模板合成法。在水和乙醇的混合溶液中，通過使TiO?納米片與氫氧化鋇產生反應合成出了BaTiO?納米片。此外，還確認了這種納米片能在厚度為1.8納米時仍保持介電性能，直到在厚度為1.4納米時消失（圖1）。
圖1 BaTiO?納米片的合成及介電性
BaTiO?納米片合成示意圖（a）。利用壓電響應測量單個納米片的介電性能（b）。在相當于三個原子厚度的1.8納米的納米片中，觀察到了介電性特有的壓電響應曲線。
通常，BaTiO?的合成需要在1000度或更高的溫度下燒制，而本次卻是在60度的低溫下合成的。長田教授回憶起當時所經歷的困難時說道：“雖然我知道可以在更低的溫度下合成，但沒想到會這么低。由于未能難擺脫先入之見，所以經歷了多次反復嘗試才得以成功”。
簡直是“哥倫布的雞蛋”
成功建立自動成膜法
開發納米片工藝的目標是成膜的高速化和大面積化。通常，納米片成膜通常采用蘭慕爾-布羅吉（Langmuir-Blodgett）法，將納米片的膠體水溶液鋪展在淺盤中，并將在氣液界面擴展開來的薄片聚集起來形成薄膜。但是，這種方法不僅需要熟練的操作和復雜的條件設置，溶液用量大，而且單層成膜需要一小時左右，成為了工業化制造的瓶頸。
另一方面，滴下膠體水溶液并干燥的滴涂法會形成不均勻的膜。就在長田教授尋找其它方法時，偶然發現了解決方案。長田教授介紹道：“當時一名學生覺得‘溶液太浪費了’，于是在滴下后立即用移液器吸取了溶液，于是發現在幾秒鐘就形成了具有完美二維結構的薄膜。簡直就是哥倫布的雞蛋（ 意為看似困難的事，往往只要換一個角度去思考，就能解決）”。研究人員立即觀察并分析了這一現象，并根據這些結果成功實現了機器人滴涂和抽吸的自動化操作方法（圖2）。這種自動成膜法在JST（日本科學技術振興機構）的新技術說明會上得到了很大的反響，已經有企業來邀請做共同開發。
圖2 二維納米片的高速液相成膜
自動成膜設備整體圖片（a）；用自動移液器將溶液滴到基板上并吸取便可完成成膜（b）；用原子力顯微鏡（AFM）對薄膜質量進行的評估顯示，納米片就像撲克牌一樣緊密排列在一起（c）。
世界最高的能量密度
用電介質電容器來實現
A-STEP的最終目標是開發作為新的電能儲存器件而備受矚目的“電介質電容器”。這種電容器僅需幾秒即可完成充電，具有安全、使用壽命長、高功率密度等優異特性。在有望成為“終極電能存儲器件”的同時，也存在本質上的問題，即無法一次儲存大量能量。
一直在研究基于納米片的電介質電容器的長田教授開發出了具有1.5～3納米這種分子水平厚度的、兼具高介電性和絕緣性的納米片，實現了電介質電容器中世界最高的能量密度，即每立方厘米174～272焦耳。這相當于傳統介電材料的約10倍，可與鋰離子二次電池相媲美（圖3）。另外，長田教授還證實即使在300度的高溫下納米片也能保持性能穩定。未來這種納米片有望應用于電動汽車的助力器等全固態電能儲存器件。
圖3 納米片電容器的構造與各種電能儲存器件的特性比較
實驗證實，納米片可以實現比傳統電介質電容器高1～2個數量級的能量密度。
納米技術不僅能大幅改善物質的功能和特性，構建更加繁榮的社會，而且還可以用很少的材料制造器件，非常有利于節約資源和能源。長田教授滿臉笑容地表示：“正因如此，這項技術對資源匱乏的日本來說非常重要。從這個意義上來說，我認為這是一種為社會帶來新價值，很有未來前景的技術”。（TEXT：橫井Manami、PHOTO：伊藤彰浩）
原文：JSTnews 2023年9月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
